冬季空調不加濕對室內參數的影響

趙玲玲，王輝濤，秦進，葛眾，韓金蓉

(1.昆明理工大學 冶金與能源工程學院，昆明 650093；2.云南省城鄉規劃設計研究院，昆明 650228);3.清華大學 熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084

近年來，中國各地的酒店客房、多功能廳、餐廳、影劇院及商場等功能性房間加設中央空調系統，以保證房間溫度、濕度、新風量等參數達到室內設計要求。相對濕度是影響人體舒適性的一個重要設計參數，主要影響人體皮膚表面的蒸發散熱[1]，尤其在冬季，當室內相對濕度太低時，一方面會使人體的皮膚因缺少水分而變得粗糙甚至開裂，降低人體對疾病的免疫力[2]；另一方面使人體產生靜電，靜電可能引起人體心率異常，誘發早搏[3]，也可能使血液中的堿性升高，影響人的機體生理平衡[4]，還可能引起腦神經細胞電流傳導異常，影響人的中樞神經，使人感到疲勞、煩躁等。當室內濕度太高時，會影響人體舒適感以及為室內環境中的細菌、霉菌及其他微生物提供了生長繁殖條件，加劇室內微生物污染，導致人體容易患呼吸道或消化道疾病[5]。冬季室內相對濕度若能在不加濕的情況下達到設計要求，一方面能降低設備造價，另一方面能節省運行維護成本，對空調系統具有較大益處。

學者們對空調系統加濕特性做了大量研究，劉乃玲等[6]用實驗法研究了風機盤管加濕膜空調系統對房間溫濕度的影響規律及該系統對室內溫濕度的改善程度；徐宏慶等[7]根據風機盤管熱濕交換機理，對空調變工況運行時房間的含濕特性進行了分析；Ghazikhani等[8]選取特定房間研究了通風空調系統中等焓加濕和等溫加濕過程中的能量消耗量和有效能損失；Sobrinho等[9]采用實驗的方法量化研究了相對濕度對空調系統性能系數(COP)的影響；Shailendra等[10]針對炎熱干燥地區蒸汽蒸發-壓縮的組合式空調系統進行了熱力學及舒適性分析；Zhang等[11]研究了冬季太陽能驅動的熱濕交換系統對室內溫度及濕度的影響機理。通過查閱文獻可知，目前尚缺乏針對中國各氣候區冬季空調系統不加濕對室內含濕量及相對濕度影響方面的研究。

中國的氣候多樣化，按氣候不同將中國分為嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區以及溫和地區，各氣候區室外環境各不相同，設計人員在設計空調時，應該充分考慮當地氣候區的特殊性，分析空調系統的熱濕性，爭取在滿足設計要求的條件下，盡量簡化空調系統，降低系統造價。本文基于房間內濕空氣含濕量質量守恒方程分析空調房間內含濕特性，并對中國不同地區功能房間冬季空調系統不加濕的條件進行探討。

1 冬季空調系統不加濕應滿足的條件

取空調系統及房間為控制體，如圖1所示。

圖1 全新風(一次回風)空調系統Fig.1 Fresh air (return air) air-conditioning system

以空調房間為開式系統進行濕量質量守恒分析，忽略房間圍護結構表面傳濕時

(1)

(2)

導出室內含濕量的計算式為

(3)

1)空調房間內濕負荷[12]

G=Gr+Gs+Gz

(4)

其中：

Gr=nβg

(5)

Gs=3.33n·β×10-6

(6)

Gz=0.278Fτ·gz×10-3

(7)

式(4～7)中：Gr為室內人員散濕量，kg·s-1；Gs為食物散濕量，kg·s-1，一般除餐廳外，其余房間的Gs=0[12]；Gz為敞開水表面蒸發量，kg·s-1，對于敞開水表面積較大的房間(游泳池)需要計算敞開水表面蒸發量，其余房間Gz=0；g為室內單個人員的散濕量，kg·s-1；β為群集系數，取值見表1[12]；n為室內總人數；Fτ為蒸發表面積，m2，3星級及以下酒店餐廳中Fτ=2.5，4星級及以上酒店餐廳中Fτ=4[12]；gz為水面的單位蒸發量，kg·m-2·h-1。

表1 空調建筑物內的群集系數Table 1 The cluster coefficient in air conditioning buildings

2)新風、排風量

(8)

式中：ρg為新風空氣密度，kg·m-3；Vmin為最小新風量，m3·h-1·人-1。

3)空調房間內總空氣質量

MN=AN·h·ρN

(9)

式中：AN為房間的面積，m2；h為房間的高度，m；ρN為室內空氣的密度，kg·m-3，計算式為[13]

(10)

式中：Pbq為干球溫度下水蒸汽的飽和壓力，Pa；B為當地大氣壓，Pa；T為房間內設計溫度，℃。得出非餐廳類房間的含濕量的函數表達式為

(11-1)

餐廳內的含濕量函數表達式為

(11-2)

式中：PF為室內人員密度，人·m-2；α為新風空氣密度與室內空氣密度之比；g′=g+3.3×10-6；當室內溫度達到設計溫度且室內參數趨于穩定時，非餐廳類房間含濕量為

(12-1)

餐廳類房間含濕量為

(12-2)

由式(12)可知，對不加濕的空調房間，影響冬季室內含濕量的因素有新風含濕量、新風空氣密度、群集系數、新風量、室內單個人員散濕量；新風含濕量、群集系數及室內單個人員散濕量越大，穩定時含濕量越大；新風空氣密度及新風量越小，穩定時含濕量越大；而影響含濕量增加速度的因素有初始時刻含濕量、新風含濕量、群集系數、單個人員的散濕量、室內外空氣密度、新風量、室內人員密度以及房間高度；新風含濕量、群集系數、人員密度、室內單個人員散濕量及新風與室內空氣密度比越大，含濕量增長越快；初始時刻含濕量越小，房間高度越低，含濕量增長越快。

房間濕空氣相對濕度的計算為

(13)

用Clapeyron方程[14]計算濕空氣的飽和蒸汽壓力與溫度的關系。

(14)

式中：tc=647.35 K，Pc=22 103 000 Pa。

根據規范要求的冬季空調房間室內設計參數范圍：30%≤φN≤60%，以設計范圍的中點45%為設計相對濕度，即可得到不加濕時若要達到室內設計要求，室內相對濕度需要滿足的條件。

|φN-φ0|≤15%

(15)

式中：φ0為室內設計相對濕度。

故可得非餐廳類房間相對濕度要滿足的條件為

15%

(16a)

餐廳類房間相對濕度要滿足的條件為：

15%

(16b)

由此可見，若不加濕室內相對濕度滿足條件(16)，則空調系統可以不加濕便能滿足設計要求，反之，若不滿足該條件，則空調系統必須加濕方能滿足設計要求。

2 各氣候區典型房間冬季空調系統不加濕的分析

通過對各建筑熱工設計分區的地域特點進行分析，嚴寒地區選取哈爾濱市和烏魯木齊市兩個代表城市，寒冷地區選取北京市為代表城市，夏熱冬冷地區選取武漢市為代表城市，夏熱冬暖地區選取廣州市為代表城市，溫和地區選取昆明市為代表城市以研究冬季不加濕對室內參數的影響。按《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736—2012)，查得不同氣候區代表城市的空調設計室外空氣計算參數。

假定房間初始含濕量與新風含濕量相等，在式(16)的基礎上分別選取影劇院、商場、辦公室、餐廳(宴會廳)酒店客房及多功能廳等典型的功能性空調房間分析空調系統冬季不加濕時室內含濕特性。不同功能性房間的設計參數不同，各空調房間室內設計參數見表2[15]。

表2 各房間室內設計參數表Table 2 The design parameters of rooms

圖2～圖7是根據式(11)計算所得各氣候區典型房間的含濕量隨時間的變化曲線。

圖2 影劇院室內含濕量隨時間的變化曲線Fig.2 The upward curves of moisture content in theater

如圖2，當時間達到4 500 s時，影劇院內空氣參數基本趨于穩定狀態，雖然影劇院人員密度大，但因建筑高度高，最小新風量大，故含濕量隨時間變化速度慢，曲線比較平緩，穩定狀態時室內含濕量較小。

圖3 商場內含濕量隨時間的變化曲線Fig.3 The upward curves of moisture content in mall

如圖3，當時間達到4 000 s時，商場內空氣參數基本趨于穩定。商場的人員密度大，新風量小，故含濕量隨著時間的增加速度較快，商場內空氣參數達到穩定時含濕量較大。

圖4 辦公室內含濕量隨時間的變化曲線Fig.4 The upward curves of moisture content in office

如圖4，當時間達到4 400 s時，商場內空氣參數基本趨于穩定。辦公室的人員密度小，新風量大，故含濕量隨著時間上升速度較慢，商場內空氣參數達到穩定時含濕量較小。

圖5 不同星級酒店客房含濕量隨時間變化曲線Fig.5 The upward curves of moisture content in rooms of hotel

如圖5，當時間達到5 000 s時，酒店客房內空氣參數基本趨于穩定。酒店客房內人員密度小，人員散濕量小，故含濕量隨著時間變化速度慢，曲線比較平緩；與四星級及以上酒店客房相比，三星級及以下酒店客房新風量小，故三星級及以下酒店客房的室內含濕量增長速度更快，達到穩定時室內含濕量也更大。

圖6 不同星級多功能廳內含濕量隨時間變化曲線Fig.6 The upward curves of moisture content in the multi-purpose halls of hotel

如圖6，當時間達到3 800 s時，酒店多功能廳內空氣參數基本趨于穩定。多功能廳內人員密度及人員散濕量較大，房間高度低，故含濕量增長速度較快；與四星級及以上酒店多功能廳相比，三星級及以下酒店多功能廳新風量較小，故三星級及以下酒店多功能廳內含濕量增長速度更快，穩定時含濕量更大。

圖7 不同星級餐廳(宴會廳)內含濕量隨時間變化曲線Fig.7 The upward curves of moisture content in restaurant

如圖7，當時間達到2 500 s時，餐廳(宴會廳)內空氣參數基本趨于穩定。一般的餐廳(宴會廳)都需要配備中西餐，餐廳濕負荷包括人員散濕量和食物散濕量，餐廳內人員密度較大，房間高度較低，故含濕量隨著時間的增加速度較快；與四星級及以上餐廳相比，三星級及以下餐廳新風量較小，故三星級及以下餐廳內含濕量增長速度更快，穩定時含濕量更大。

對大多數功能房間來說，當室內空氣相對濕度為30%≤φ≤60%時滿足設計要求，本文將相對濕度φ<30%看作“干燥”，將相對濕度為φ>60%看作“濕潤”。根據此界定，在冬季空調不加濕情況下，主要氣候區各房間空調系統達到穩定時的相對濕度計算及評價情況見表3及表4。

表3 各氣候區影劇院及商場內相對濕度及評價表Table 3 The relative humidity and evaluation table of mall and theater all around our country

續表3

表4 各氣候區酒店客房、多功能廳及餐廳內相對濕度及評價表Table 4 The relative humidity and evaluation of bedrooms and multi-purpose halls of hotels and restaurants all around our country

由表3、表4可知，在廣州市設計影劇院空調系統時，不加濕即可滿足設計要求；中國各地區的商場空調系統冬季室內濕度不加濕便可滿足設計要求；在武漢市、廣州市、昆明市不加濕時冬季商場相對濕度已超過設計范圍，需要采取適當的除濕措施方能達到設計要求；在廣州市及昆明市設計辦公室及三星級及以下酒店客房以及在廣州市設計四星級及以上酒店客房空調系統時，不加濕即可滿足設計要求，在武漢市、廣州市、昆明市設計三星級及以下酒店多功能廳及餐廳空調系統時，在廣州市及昆明市設計四星級及以上酒店多功能廳空調系統時不加濕即可滿足設計要求，除此之外的影劇院、辦公室、酒店客房及多功能廳以及餐廳空調系統冬季均需要加濕方能達到設計要求。

3 結論

基于房間內濕空氣含濕量質量守恒方程分析空調房間內含濕特性，并對中國不同地區功能房間冬季空調系統不加濕的條件進行分析，得出以下結論：

1)中國各氣候區的商場、以武漢為代表的夏熱冬冷地區的餐廳及三星級及以下酒店多功能廳，以廣州為代表的夏熱冬暖地區的影劇院、辦公室、酒店客房、酒店多功能廳及餐廳(宴會廳)以及以昆明市為代表的溫和地區的辦公室、三星級及以下酒店客房、多功能廳及餐廳(宴會廳)的空調系統不加濕時冬季室內相對濕度便能滿足設計要求。

2)以武漢市為代表的夏熱冬冷地區、以廣州市為代表的夏熱冬暖地區、以昆明市為代表溫和地區商場空調系統在冬季不加濕時室內相對濕度已超過設計范圍，尚需采用適當的除濕措施方能達到設計要求。

3)以哈爾濱市和烏魯木齊市為代表的嚴寒地區、以北京市為代表的寒冷地區的影劇院、辦公室、酒店客房、酒店多功能廳及餐廳(宴會廳)，以武漢市為代表的夏熱冬冷地區的影劇院、辦公室、酒店客房、四星級及以上酒店多功能廳，以及以昆明市為代表的溫和地區的影劇院、四星級及以上酒店客房等房間的空調系統需要設置加濕措施以達到設計要求。

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